[发明专利]一种轻质、柔性超疏水多孔气体凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及多孔气体凝胶的制备，具体说是一种轻质、柔性超疏水多孔气体凝胶材料及其制备方法。

背景技术

气体凝胶一种高分散多孔固体材料，其多孔固体结构由胶体粒子或高聚物分子相互聚合构成，孔隙中充满了气态分散介质，孔隙率在80%～99.8%，孔径通常在1～100纳米之间。气凝胶具有低热导率、低密度、高孔隙率、大的比表面积、结构可控可掺杂的优点使其广泛用作吸附剂，气体储藏，催化剂载体，过滤器，膜以及分离介质。典型的二氧化硅气体凝胶，通常通过溶胶-凝胶过程制得，具有高孔隙率（>90％）和小孔径（～50纳米），多孔结构由二氧化硅纳米粒子的聚集体（～10nm）构成。然而,二氧化硅气体凝胶高度脆弱的网络结构使其不能被制造及大尺寸的加工。为了提高气体凝胶的性能，目前人们已经做了很多努力。例如日本人发明的PMSQ凝胶（K.Kanamori,Y.Kodera,G.Hayase,K.Nakanishi,T.Hanada,J.ColloidInterfaceSci.2011,357,336），密度可达到0.22gcm^-3,具有灵活的网状结构，提高了气体凝胶的性能。然而,一些致命的缺点使其实际应用受到限制。例如苛刻的干燥条件:超临界干燥、冷冻干燥。常温常压干燥由于方法简单而受到人们亲睐，但是在常温常压干燥过程中，孔道不够稳定，造成密度会有所增大（A.S.Dorcheh,M.Abbasi,J.Mater.Process.Technol.2008,199,10.）。另外,用乙酸作为酸性介质,容易造成环境污染。如何在常温常压干燥条件下，采用一种既能维持孔道稳定又绿色环保的溶剂，目前还是空白。

离子液体在近几年受到人们的广泛关注，是由于它们低的蒸汽压，良好的导电性，具有在液-液萃取中充当溶剂的潜能。此外，不同的阳离子和阴离子的组合会导致离子液体具有不同的性质。羧酸离子液体不仅具有液态酸的高密度反应活性位，同时又有固态酸的不挥发性，而且具有熔点很低、不易燃、较高的热稳定性、常温呈液态、低毒等特点，离子液体本身具有的这一系列优点使它作为一种对环境非常友好的催化剂和高效的绿色溶剂，在当今化学方面早已经成为化学前沿和研究的特点。近年来人们对它的研究和应用越来越广泛，而离子液体结构的可设计性又使得其酸性可调，温和的酸性，使它的应用前景更为乐观。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：基于离子液体的优良特点，用绿色溶剂羧酸离子液体代替了其他材料中用的乙酸溶液作为酸性媒介，采用简单地四步操作，合成一种超疏水多孔气体凝胶。此方法简单、经济、环保。此制备的材料具有小密度，大的孔系率，易弯曲，压缩后可弹回，超疏水性，可在77K-573K的温度范围应用，孔道稳定能经受溶液改性等优良的特点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种轻质、柔性超疏水多孔气体凝胶材料，该材料由以下方法制得，包括以下步骤：

第一步：将尿素、羧酸离子液体溶液和表面活性剂加入到反应器中混合，其中摩尔比为尿素：水：羧酸离子液体：表面活性剂=（37.9～45.5）:353.5:（2.5×10^-3～50×10^-3）：1；

第二步：搅拌下再加入硅氧烷，其中硅氧烷为三甲氧基硅烷和二甲氧基硅烷的混合物，二者的摩尔比为三甲氧基硅烷：二甲氧基硅烷（DMDMS）=3:2，搅拌直至硅氧烷水解完全；其中二甲氧基硅烷与第一步中表面活性剂的摩尔比为6.37:1；

第三步：转移至反应釜中，于70～90℃烘箱聚合老化5～8h；

第四步：先后用双蒸水和乙醇洗涤，常温常压干燥，得到轻质、柔性超疏水多孔气体凝胶材料。

所述的羧酸离子液体为咪唑羧酸离子液体、吡啶羧酸离子液体或盐酸甜菜碱。

所述的咪唑羧酸离子液体（Ⅰ）的结构式如下：

其中，R为直链烷烃基。

优选为CH₃、C₄H₇、C₈H₁₅、C₁₂H₂₃或C₁₆H₃₁

吡啶羧酸离子液体（Ⅱ）的结构式如下：

所述的A=Br、CF₃COO、HSO₄、H₂PO₄或BF₄。